автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка технологии получения упрочненного металлопроката малоуглеродистых и низколегированных сталей с использованием эффекта циклических фазовых перекристаллизаций

ленинградский государственный технический уигоерсигет

На правах рукописи КУДРНШШ Сергей Васильевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ УПРОЧНЕННОГО МЕТАЛЛОПРОКАТА МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРШАНШЯ СТАЛЕЙ С ¡«ПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА ЦИКЛИЧЕСКИХ ФАЗОВЫХ ПЕРЕКРШТАЛЛИЗАЦИ.1

Специальность 05.16.05 -05.16.01 -

Обработка металлов давлением Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискашга ученоii степени кандидата технических наук

ЛЕШЛШРЛД 1УЭ0

Работа выполнена и Ленинградском государственном техническом университете и производственном объединении "Иторокин яаиод".

.Научные руководители: Лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор Григорьев А.К.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Смагоринский М.Е.

Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессор Ботехтин В.И.

кандидат технических наук Тафт В.И.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательским технологический институт (Ленинград)

Защита состоится ^1990 г. в /5" часов на

заседании специализированного совета К 063.38.05 Ленинградского государственного технического университета по адресу: 195251, Ленинград, Политехническая ул., 29.

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке ЛГ'ГУ. -

Автореферат разослан "_"__1930 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н., доцент

Кпаакоши Г.С.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ УПРОЧНЕННОГО МЕТАЛЛОПРОКАТА L'.UIO-- /УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ GTАЛЕН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 3ivb'm ЦИКЛИЧЕСКИХ ФАЗОВЫХ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы.Требования к повышению прочности и надежности материалов, используемых при изготовлении ответственного оборудования, в том чиолз эксплуатируемого в условиях низких температур, увеличение потребления в народном хозяйстве углеродистых и низколегированных сталей повышенной прочности обусловливают возрастание выпуска толстых листов из этих стало») с необходимыми конструктивны.«! характеристиками.

Наращивание физических объемов производства металлопроката трабует огромных капиталовложений, приводит к нерациональному расходован:® сырьевых и энергетических ресурсов .и в то же время на ликвидирует дефицита в потребляющих отраслях промышленности. Снименисэ металлоемкости изделии за счет повышения прочности углеродистых и низколегированных стала;; является общей тенденцией, требующе;: научной и технической проработки для se реализации в условиях производства и потребления металла. Масштабы производства этих сталей позволяют получить значительный эффект от разработки и внедрения технологи!:, повышающих их прочностные характеристики.

Одним из основных nyraii решения этой задачи является растиренио производства проката, упрочнонного термомеханическоп обработкой к, в частности, мотодом контролируемо!; прокатки(КН), что позволяет получать повышенны!! уровень механических свэ;ютв без проведения последующей термической обработки.

Илощйося результаты но упрочнению низколегированных сталей контролируемой прокаткой в большинство случаев относятся к материалам, содержащим добавки сильных карбонитридсобразовэтоло!!, однако достигаемые в экспериментах на обычных углеродистых сталях показатели позволяют утверждать, что традиционные методы проведения Jill задействуют не все механизмы формирования структуры и выявляют не все возможности повышения прочности и вязкости, зало-.;ешшо в особенностях структурных состояний металлических материалов.

Иснользошнио механизмов -дополнительного упрочнения листа в потоке стана о помощью задействования орфокта частичных циклических Фазовк:. корекристаллизаци:, (Ц<.11) в ме;:критпческом интервале (t'ICII) температур

позволяет наиболее эффективно управлять процессами структурообразо-вания в металле. Реализуемые при этом дислокационно-дисклинационные механизмы упрочнения, такие как значительное измельчение зерна и-создание в мелком зерне развитой субструктуры в виде организованных коллективных построений дислокации ячоисто-полигонального типа,обеспечивают существенное повышение предела текучести материала без понижения его трещиностойкости, а также снижение температуры вязко-хрупкого перехода и увеличение долговечности при циклических нагру-жаниях и явлениях износа.

Цель работы. Целью диссертационном работы является изучение и моделирование процессов формирования структуры малоуглеродистых и низколегированных сталей в процоссе периодической горячей пластической деформации в неизотармических условиях, а такие разработка и внедрение технологии прокатки, совмещающей функции пластического формоизменения и оптимальной реализации всех возможных механизмов упрочнения, для получения толстолистового проката с высоким комплексом служебных характеристик, в первую очередь, прочности и вязкости при отрицательных температурах. Для достижения поставленной цели потребовалось:

провести анализ литературных данных по применяемым в настоящее вь 1мя способам и.механизмам упрочнения толстслистозого проката;

исследовать кинетику распада переохлажденного аустенита и изучить воздействие параметров горячей пластической деформации на термодинамику и кинетику фазовых превращений и процессы структурообра-зования, проходящие в малоуглеродистых и низколегированных сталях при непрерывных и циклических нагревах и охлаждениях;

изучить закономерности изменения температурного поля заготовки при прокатке в ЫКИ температур и влияние на эти изменения деформационно-временных параметров режима прокатки;

разработать и промоделировать механизм упрочнения, основанный на эффекте частичных ЦФП, экспериментально подтвердить возможности ого реализации;

исследовать реологические характеристики сталей СтЗсп и 09Г2С при температурах МКИ и небольших- скоростях деформации;

построить методику расчета диаграмм метастабильных фазовых состояний (Ы4С) малоуглеродистых и низколегированных сталей и на их основе рассчитать рахсимы чистовых этапов прокатки указанных сталей, обеспечивающие прохождение частичных ЦФП, измельчающих структуру металла, боз превышения допустимых эноргосиловых параметров прокат-2

ки;

провести опытно-промышленное опробование разработанных режимов и исследовать качество упрочненного металла, в том числе уровень механических свойств, структуру, циклическую прочность и трещино-стоикость, а также оценить работоспособность его сварных соединений.

Научная новизна. На основе математического формализма равновесной термодинамики и экспериментальных результатов по кинетике распада и образования аустенита разработана модель развития частичных разовых перекристаллизации под воздействием'горячей пластической деформации в неизотермических условиях.

Предложена методика расчета диаграмм метастабильных фазовых состоянии, позволяющих рассчитать параметры термопластической обработки (ТЛО) и реализовать механизм частичных 1(011 для измельчения структурных составляющих и процессе горячей прокатки широкого класса углеродистых и низколегированных сталей. Экспериментально доказана возмо:шость получения упрочненного металлопроката с использованном предложенного механизма.

Новизна разработанных в диссертации методов и рз.мимов подтверждала 2-мя авторскими свидетельствами.

Практическая ценность.Разработанные ретмы термопластической обработки и механизмы {формирования структуры явились основой создания и реализации новых промышленных ресурсосберегающих технологи:-!, направленных на получение упрочненного толстолистового проката малоуглеродистых и низколегированных сталей.

Предложенные решили прошли апробирование и внедряются из ПО'Чкоро-кип завод". Разработаны и утверждены твхвдлогичеснио инструкции нэ проведение прокатки стали ОЭГ^С и технические условия на упрочшшше листы из этой стали с категорией прочности К1740 в толщинах до 40 мм. Ожидаемый экономически:! эффект составляет около 300 тыс. рубле и в год.

Высокая эффективность разработанных технологи;;, их ресурсосберегающий характер и отсутствие необходимости в капитальных затратах при внедрении позволяют рекомендовать их использование на других сталепрокатных заводах страны.

Полученные теоретические результаты могут быть использованы для разработки рэ:::га.гав прокатки с ЦОП широкого класса конструкционных стало а.

Вклад автора н про поденно о исследовании. Разработка и эксперимент тальноо подтверждение модели развития частичгсых ДЫ1 для с талой фс?р—

рито-порлитного класса в условиях периодической горячей пластическом деформации и непрерывно изменяющемся температуры.

Предложена методика расчета диаграмм М4С малоуглеродистых и низколегированных сталей. О их использованием экспериментально доказана возможность получения металлопроката, упрочненного воздействием предложенного механизма частичных ЦФП.

Проведет; эксперименты по исследованию температурного поля заготовок в процессе горячои прокатки, кинетики фазовых превращений'рассматриваемых сталей и металлографический анализ полученных структур.

Разработаны и реализованы технологические ре-химы получения упрочненных листов из сталей ОЗГХ к СтЗсп на толстолистовом стане(ТЛС) ЦШ. Исследованы конструктивные характеристики упрочненного ТПО с Ца1 проката стали 09Г2С.

Апробадня работы.Основные результаты работы докладывались и обсу-к-дались на следувдих конференциях и семинарах: "Влияние термоцикличес-ко^ обработки на структурное состояние и механические свойства металлов к сплавов" Ц&ов, 1987); Всесоюзной конференции "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах"(Уфа, 1387); УП Всесоюзной конферв -ии "Теплофизика технологических процессов"(Тольятти, 1988); 1У Всесоюзной научно-технической конференции "Теоретические проблемы прокатного производства"(Днепропетровск, 1988); Всесоюзной конференции "Посинение надежности к долговечности материалов и деталей машин на основе новых методов термической и химико-термической обработка (Хмелькицк, 1988).

Цубликации.По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения.

Обьем работы.Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников, включающего 134 наименования, и приложений. Изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 29 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВОЗДЕИСИШ ГОРЯЧЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕ40Р1.1АЦШ1 НА ТЕРМОДИНАМИКУ И КИНЕТИКУ ЧАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СТАЛЯХ

Большинство практически реализуемых режимов термической и термомеханической обработок отвечает условиям непрерывного изменения температуры в интервалах <}азових превращений. При этом необходимо понимание механизмов физических процессов, особенно при нагревах и охлаждениях

деформированных фаз, чтобы обоснованно использовать их в качестве факторов, положительно влияющих на формирование структуры и свойств мо-талла. С этой целью предпринята попытка применить математический аппарат равновесной термодинамики разовых превращении к сугубо неравновесным процессам, проходящим в деформированной системе фаз в неизотермических условиях.

Известно, что под действием пластической деформации температура фазового равновесия системы смещается из-за повышения термодинамического потенциала деформируемых фаз в результате образования дополнительных структурных дефектов кристаллической решетки.Основной вклад а повышение свободной энергии при атом дает избыто'мая лиутранняи энергия, связанная с атомами матрицы, находящимися в полях напряжений дислокаций.

Показано, что при деформации доэ^тектоидной углеродистом стали с относительными обчгатиями порядка ;&)...ЗОЙ ее свободная энергия возрастает на Юй., .^оО Д,к/моль. Уто соответствует образованию дополнительного количества дислокаций, плотность которых мохет составить З.-.Б^О1^ м " в ферритнои и и в аустенптьой фазах. Однако при тем-

пературах макритического интервала достаточно бистро происходит перестройка дислокационно У структуры в результате чзконсерватитшго(в основном) движения дислокаций-. При этом рблаксирует запасенная свободная энергия деформированных фаз. Так, запасонная при деформации аустенита энергия убывает вдвое при температура 750°С за время ~45с, феррита -за время

И изотермических условиях термодинамический потенциал каждой из составляющих систему фаз можно представить через активности входящих в эти фазы компонентов. Тогда свободная энергия всей системы представится суммой свободных энергий цзз с учетом их доли в составе системы. (Минимально возможным значением этой свободно») энергии определяется температура фазового равновесия системы. При добавлении к парциальной свободной энергии фазы дополнительней энергии, вносимой при ее пластическом дзформироиании, рассчитывались температуры мгновенного мета-стабильного раиноьесия системы, состоящей из заданного соотношения фяз, в том числе смещенные температуры начала и завершения фазовых превращений. При этом предполагалось, что деформированные объемы системы, претерпевшие фазовую перекристаллизацию, практически полностью избавляются от структурных носоваршонзтв и связанной с ними избыточной свободной энергии, а в недревращонных объемах проходит во времени

ае ролаксадая па счет аннигиляции дислокаций и перестройки их ансамблей. Для моделирования неизотермических условий били использованы экспериментальные данные по кинетике фазовых превращений при непрррывных нагревах и охлаждениях с различными скоростями. При достаточно больших скоростях изменения температуры критические точки начала и завершония фазовых превращений заметно отличаются от равновесных температур, особенно при охлаждении. Это отражает тот известный факт, что для развития превращения требуется определенный термодинамический стимул, необходимый, в частности, для компенсации снижения диффузионной подвижности атомов компонентов стали при понижении температуры. При нагреве различие в свободных энергиях , необходимое для перехода системы из одного фазовогр состояния в другое, существенно меньше, но тают' имеет место.

По дилатометрическим кривым, записанным на высокоскоростном дифференциальном дилатометре были рассчитаны и построены температурные зависимости развития фазовых превращений в сталях СтЗ и 09Г2С при непрерывных нагревах и охлаждениях с различными скоростями. Температуры, соответствующие определенному фазовому составу сталей, отличаются от раг^читашшх но изотермической модели фазовых превращений. Этот температурный сдвиг в кавдой конкретной точке фазового состава системы определяет различие в свободных анергиях систем одного фазового состава в изотермических и неизотермических условиях. Величина этого различия была принята за переметши параметр модулирования, учитывающий влияние кинетических и термодинамических факторов неизотермичосктго процесса. Значения параметра моделирования при различных соотношениях фаз в системе определены при решении обратной задачи, т.о. нахождением разности свободных энергий системы заданного фагового состава при температурах н.оизотормического и изотермического процессов.

С использованием переменного параметра моделирования были рассчитаны температурные зависимости развития фазовых превращений при нагревах и охлаждениях с различными скоростями пластически деформируемых сталей СтЗ и 09Г2С. Расчетами показано, что пластическая деформация аустени-та.смещает вверх и расширяет температурный интервал ¿Г->о(. превращения, а пластическая деформация феррита понижает и сужает температурный диапазон превращения, причем наибольшему смещению подвергаются точки А^, в то вромя как смещения температур метастабкльного существования системы фаз с возрастающим количеством феррита уменьшаются. Расчетные значения смещений критических точек хорошо согласуются с взли-

чинами, определенными в экспериментах. Так, на трубчатых образцах стали СтЗ с помощью дифференциальном термопары били определены значения критических точек А^ при различных скоростях охлаждения в зависимости от величины истинной пластической деформации при температуре 900°С. Испытания проводили в условиях одноосного растяжения на универсальней установке "Инотрон-1195", скорость охлаждония регулировали изменением расхода гелия через специальное датирующее устройство. Обработка результатов методами линейного регрессионного анализа позволила получить зависимость: Л'СЦд) ~ 789 151 е -19Уом. ■

Смещение точек А.^ составляет в исследованном диапазона изменении параметров от 30 до 61)°С. После деформационные выдержки при температурах аустанитной области водут к практически полкой релаксации вносен-ной деформацией свободной энергии л, соответственно, снижению температур А^ да значений, полученных при охлаждениях без предварительно!! деформации. При температуре 845°С это происходит уже за время "25с, что такчб согласуется с принятой зависимостью, отражающей кинетику термически активируемого неконсерватквного перемещения дислокаций.

ИССЛЕДОВАНИЕ ШЛШРА7УР1ШХ П0Л21; ПРИ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ ЗАГОТОВОК

Эксперименты по тормомотрированию заготовок толщиной 15...35 мм и моделирование на Ш!.! температурных полой в процоссе их многократной горячей прокатки на двухвалковом стане с диаметром валкой 210 мм показали, что все слои металла испытывают циклические колебания температуры, вызванные особенностями процессов теплопередачи и деформирования (тепло трения локализуется в приграничных областях и поэтому но оказывает существенного влияния на томпературу металла). В очаге деформации в результате педегушяашвго действия валноь на металл резко сиглится температура поверхностных слоев заготоаки( на 50... 250°С за время 0,5. ..0,05с в' зависимости от местоположения слоя). В то же вромя внутренние слои заготовки разогреваются за счет тепла пластической деформации. Повышение те шора туры в зависимости от велнчиты обжатия, параметра формы очага деформации и температуры деформирования описывается уравнением регрессии: . „ . _

и может достигать 20..,35°С. За очагом деформации изменяются условия теплопередачи: металл перестает контактировать с разогретый к этому моменту поверхностью волков и теплоотдача осуществляется непосредственно и окружающую среду. За счет теплового потока изнутри заготовки ло-

верхность быстро разогревается, в то время как внутренние слои металла снижают свою температуру. Одновременно снижается среднемассовая температура раската. При последующих деформационных воздействиях температурное поле заготовки возмущается аналогичным образом. Поэтому во всех слоях заготовки при ее многократной прокатке инициируются циклические изменения температуры, амплитуда которых зависит от деформационно-температурных условий обработки, геометрии очага деформации и местоположения рассматриваемого слоя.металла. Рассчитанные зависимости изменении температуры во времени для различных по толщине заготовки слоев металла хорошо коррелируют с экспериментальными данными, получанными при термометрпровании аналогичных реальных заготовок из сталей 22К и СтЗ в процессе их горячей прокатки.

Математическая модель была также исподьзована для расчета тепловых полей при прокатке листов толщиной 60...150 мм на стане ТЛС-5000 и показала хорошее соответствие среднемассовой температуры раската показаниям штатного пирометра "Спактроцир".

циклические фазовые перекристаллизации при термопластической обработке металла

При многократном термопластическом воздействии до 20...25% затрачиваемой в каждом цикле энергии расходуется на повышение свободной энергии деформируемого металла, связанной с образованием структурных дефектов, в основном дислокаций. При этом нарушается термодинамическое равновесие фаз в система, что приводит к смещению температурных интервалов ¡^>(1 и превращений. Если периодически изменяющаяся температура некоторого объема металла будет находиться в определенном вза-шном соответствии со смещенными температурными интервалами фазовых превращений, в системе могут проходить циклические фазовые перекристаллизации .

Для выявления и оптимизации условий, необходимых для подобного соответствия, была разработана методика расчета и построения диаграмм текущих метастабильных фазовых состояний при периодическом пластическом деформировании малоуглеродистых и низколегированных сталей в мечскри-тическом интервале температур. Задавая определенный закон изменения, температуры конкретного слоя металла и используя модель развития фазовых превращений в деформируемых сталях, можно рассчитать мгновенные смещения температур метастабильного состояния системы с различны:.! соотношением фаз, а также их последующего изменения во времони, выз-

ванного релаксацией избыточной свободной энергии. Ряд таких диаграмм для сталей СтЗ и 09Г2С и различных законов изменения температуры пробного объема металла в работе был построен и использован для проведения анализа процессов структурообразования в условиях частичных цик- . лических фазовых пэрекристаллизации.

На рисунке приведена одна из таких диаграмм. В расчетах значения избыточном свободной энергии, вносимой пластической деформацией(150 Дя/ моль для аустенита и 100 Дж/моль для (феррита), приняты постоянными по проходам и соответствуют разовым обжатиям со степенями относительной деформации 20...ЗОЙ. Продолжительность межпроходных пауз составила Юс. Температура пробного объема в каждом деформационном цикле возрастает на 20°С и снижается в паузах между проходами на 35°С так, что первый цикл деформации происходит при начальной температуре металла 780°С, а завершение 4-го цикла(с последеформационной паузой) - при 720°С.

Диаграмма метастабильного фазового состояния стали СтЗ при четырехкратном термопластическом воздействии а диапазоне температур 780...720°С

На диаграмме нанесены положения точек мгновенного метастабильного фазового состава пробного объема стали СтЗ а полуциклах нагрзвов(се-рия точек Ас) и охлаждений(серия точек А г ) в мижкритическом интервале температур. Положения точек, смещенных пластической деформацией, отмечены индексом (д). Там та изображены изолинии метастабильного фазового состояния системы для трех составов: Ш«Ф+90$А, 30»<,ч70#А. и 50&ь+ +50,»А, обозначенные цифрами 10, 30 и 50, соответственно.

Фазовый состав пробного объема изменяется во времени в соответствии с его текущими температурой и термодинамическим состоянием. В-случае охлаждения рассматриваемого объема металла из Й"-области в точке А перед началом первого цикла деформирования структура металла чисто аустенитная.Даформация переводит систему в точку В, т.е. приводит к повышению температуры металла и смешению точек к% » однако ее состояние остается однофазным. В процессе охлаждения по кривой ВС температура деформированного аустенита падает, уменьшается также его изоыточная свободная энергия, т.е. смещенные точки А^-стремятся возвратиться к своим значениям до деформации по изолиниям мэтастабильного фазового состояния. В зависимости от соотношения скоростей этих процессов возможна ситуация, при которой часть деформированного аустенита превратится в метастабилышй форрит. Именно это изображено на рис.1. При пересечении температурной кривой ВС изолинии, соответствующей наличию в системе метастабильного феррита, происходит частичная перекристаллизация и в точке С пробный обьем будет состоять из новообразованного(шдеформированшго) феррита и аустенита, обладающего некоторым избытком неотрелаксировав-шой свободной, энергии.

Последующий цикл деформации повышает свободную энергию как новообразованного феррита, так и аустенита, уже обладавшего определенной избыточной энергией, и переводит систему в точку Д. При этом температура маталла возрастает и одновременно смещаются точки метаста-бильного фазового состава - AQ. Согласно диаграмме в положении Д система не может иметь в своем составе никакой доли деформированного йаррита, поэтому он весь вновь перекрлсталлизуется в аустенит, свободный от структурных нэсоверыенств. Теперь'в процессе охлаждения по кривой ДЕ изменяет свою температуру пробный обьем, состоящий из аустенита, находящегося в двух термодинамически различных состояниях. В точке Е минимальная свободная энергия соответствует системе, включающей в себя около вновь образованного из деформированного аустенита- феррита, 53л аустенита о частично релаксиоо-вавшей избыточной свободной энергией и 12% нодеформированного аус-гслшта, образовавшегося из форрита с повышенной свободной энергией при предыдущем нагреве по кривой СД. Здесь слодуот отмстить, что перекристаллизацию при охлаждонии до точки Ь' претерпел но свз;.:ооб-разованный аусгонит, а деформированный ранее, поскольку при этом достигазтся наибольший выигрыш в снижении свободной эноргии всей системы.

IU

При дальноших циклах деформации и в мешроходных паузах процесс прямых и обратных частичных фазовых перекристаллизация повторяется с участием фаз, находящихся в еще большем количества различных метаста-билышх состоянии. Повторение циклов ТПО при снижении среднемассовой темпоратуры металла приводит к возрастанию количества ферритной составляющей в системе, позволяя вовлекать в процесс (Тазовых превращений новые, ранее не участвовавшие в нем объемы. При этом в системе возрастает. протяженность межфазных, межзеренных и субзерешшх(т.к. параллельно идут и процессы полигонизации аустекита и феррита) границ, что в сбою очередь облегчает диффузии и ускоряет прохождение фазовых превращений .

Наличие значительного количества несовершенств кристаллической решетки во много раз повышает вероятность образования центров перекристаллизации, поэтому объемы новообразующихся фаз будут складываться из множества участков, расположенных относительно равномерно в остающейся деформированной матрица. При этом максимальное измельчение достигается в том случае,'если качдай раз в частичном фазовом превращении участвует около половины объема перекристаллизующейся фазы. Дня вовлечения в процессы превращении всего объема металла следует снижать зго среднемассовую температуру вплоть до значений Ас-цд), что способствует равномерному диффузионному распределению углерода и формированию однородной сверхмелкозернистой структуры феррита и цементита.

Таким образом, циклические термодеформационныо воздействия с регламентированными обжатиями и паузами при снижении сраднемассовой температуры металла а интервале • • должны вести к формированию структуры псевдоэвтектоида, обладающей высокими прочностными и вязко-пластическими характеристиками. В процессе ТПС с ЦФП в системе одновременно сосуществуют высоко- и низкотемпературные фазы, находящиеся в различных термодинамических состояниях, и проходят их взаимные перекристаллизации, а макроскопические -значения критических температур А*3(д) 11 АсЗ(д) Размываются в температурные интервалы.

практическая реализация разработанных рш1ш термопластической обработки о циклическими фазовыми нерекристал1шацияш

Проведенный в работе анализ процессов структурообразонания позволил назначить оптимальные температурно-временнш и дофермационныз ре шлы ТПО с ЦФП для сталей '¿Ж, СтЗ и 09Г2С и реализовать их на станах ДУ0-2Ю и ТЛС-5000. При зтом чистовой этап прокатки осуществляли за

несколько проходов с суммарным обжатием 50...70Й в температурном интервале 800...700°С. Среднемассоиую температуру раската снижали после каждого прохода за счет регламентации длительности пауз.

Прокатка заготовок из стали 22К на стане ДУ0-210 по режимам ТИО с ЦфП показала, что при суммарном обжатии порядка конечная толщина 10 мм) достигаются следующее свойства. Временное сопротивление разрыву составило 680...720 Ша, предел текучести - 550...600 МПа, относительное удлинение - 2,2...25%, а ударная вязкость, -определенная на образцах с острым надрезом при температуре -20°С,- 55...57 Дк/см2. Полу чешше прочностные характеристики намного( по пределу текучести вдвое превышают достигаемые на металле, прокатанном по штатной технологии, при этом вязкопластические свойства находятся на сопоставимом уровне.

Значения механических свойств, достигнутых при прокатка листов различной толщины из сталей ВСтЗсп и 09Г2С на станс ТЛС-5000, приведены в таблица.

Механические свойства сталей после ТПО с ЦФП1^

Марка стали Толщина листа, мм МПа МПа 8, % % /1 ксиГ Дчг/см2 Дчс/см2 кси;^ Г) Ди/см"

СтЗ 100 35 550 455 540 465 325 250 395 255 29 31 29 31 54 51 89 52 44 48 -

60 530 510 375 320 30 32 63 83 - 69

09Г2С 37 590 500 420 340 Ш. 32 61 81 ПО - 73 83

30 600 485 22 44 86 68

525 350 31 118 ПО

20 650 530 495 340 24 32 55 75 103 - 62 69

I) В числителе - значения свойств после прокатки по решчам

ТПО с ЦФП, в знаменателе - после штатной прокатки.

Металл заготовок, обработанных по режимам ТПО с ЦФП, обладает существенно более высокими прочностными характеристиками, чом полученный по штатной технологии с завершением прокатки при температурах не нижа 900°С. Вязкопластические характеристики его также высоки и превышают требования соответствующих стандартов. Неоднородность свойств по толщине проката ниже, чем у штатного металла. Структура феррита и перлита сильно измельчена(12-14 балл зерна) и приближается на листах толщиной до 40 мм к структуре псевдоэвтектоида: перлитные колонии раздроблены, цементитныэ частицы частично глобуляризованы, а ферритные зерна обладают развитой субструктурой.

Исследования показали, что подобная структура обладает высокой термической стабильностью и отпускоустойчива. Так, на стали 09Г2С снижение характеристик, полученных при температуре испытаний +350°С, составило • 0...12% по , 15...35% по с5о,а и 7...25$ по 8 . Испытания, проведенные при температуре +20°С после отпусков различной интенсивности (при температурах 450...7Ш°С в течение 2-х часов), показали, что значения временного сопротивления снизились на 5...9%, предела текучести - на 8...18/о, относительного сужения - на 6...11$ и ударной вязкости при температуре -40°С - на 10...26%, причем величина относительного удлинения при всех исследованных температурах отпуска несколько повышается.

Разработанные режимы ТПО с ЦФП были опробованы и на непрерывнолитом моталле сталей ВСтЗсп и 09Г2С. Механические характеристики, достигнутые при этом, существенно превышали свойства металла, полученного по штатной технологии.

В ходе опробования новой технологии было установлено, что при ТПО с ЦФП у заготовок формируется упрочненный поверхностный слой, который увеличивает работу зарождения трещины. Обнаружено также, что на изломах ударных образцов всех сталей имеются расслои по плоскостям, параллельным плоскости прокатки, связанные, по-видимому, с неметаллическими включениями и кристаллографической текстурой. Для проверки предположения о склонности упрочненного металла к слоистому разрушению на стали 09Г2С(лист толщиной 30 мм) были проведены испытания на трещино-стойкость и определены свойства в вертикальном направлении. Значения К0 получены в пределах 71.. .75 МПачл1''2, а 13... 16!?, в то время как значения определенные на штатном металле, не превышают 4%.

Оценка прочности и надежности сварных конструкций, внполнеш^х из упрочненного методом ТПО о ЦФП металлопроката стали 09Г2С, проводили

на пробах, сваренных в соответствии с принятой в ПО"Ижорский завод" технологией изготовления базовых конструкций карьерных экскаваторов: методом автоматической дуговой сварки под флюсом АН-348 проволокой Св-08ГСМТ, с величиной погонной энергии до 3 МДж/м. Исследования показали хорошее качество сварных соединений, высокие значения механических характеристик основного металла и металла зоны термического влия*-ния: разупрочнение практически отсутствует, разрушение при ударном изгибе чисто вязкое вплоть до температуры -70°С.

Циклические испытания( на базе 10'циклов) упрочненного металла и егс сварного соединения показали удовлетворительные значения предела выносливости - 200...240 МПа.

Таким образом, установлено, что полученный по режимам ТПО с ЦФП упрочненный металлопрокат стали 09Г2С, пс своим конструктивным характеристикам вполне может быть использован в меньших толщинах для изготовления базовых конструкций карьерных экскаваторов, выпускаемых П0"И;::о-рский завод". Разработана технологическая инструкция на прокатку стал! 09Г2С с целью получения упрочненного листа по режимам одиночных и парных обжатий и составлены номограммы для выбора режима этих обжатий, обеспечивающего проваденио ТПО с ЦОП без превышения допустимых энергосиловых параметров стана TJIC-5000. Утверждены технические условия ТУ 302.02.036-89 на упрочненные до категории КП40, листы стали 09Г2С толщиной 18...40 мм. Расчитан экономический эффект от использования упрочненного листа меньшей толщины при изготовлении поворотной рамы / карьерных экскаваторов ЭКГ-10, который составил около 290 тысяч рублей в год.

выводу

1.На основе термодинамических расчетов построена математическая модель развития превращений. С использованием экспериментальных данных по кинетике фазовых превращений в сталях СтЗ и 09Г2С модоль адаптирована к ноизотермичеоким условиям.

2.С помощью разработанной модели показано, что пластическая деформация аустенита смещает вверх и расширяет температурный диапазон проврашения, а пластическая деформация феррита понижает и сужаот температурный интервал «Л*Я превращения. В результате создается возможность одновременного сосуществования мотастабильных высоко- и низкотемпературных фаз, различающихся по значениям своего тормодинамичес-

кого потенциала, а также их взаимных перекристаллизации.

3.Показано, что термодинамические и теплофизические особенности процесса горячей прокатки позволяют инициировать в металле частичные циклические фазовые перекристаллизации и использовать их доя измельчения структурных составляющих.

4.Построены диаграммы мэтастабильных фазовых состояний сталей СтЗ и 09Г2С, которые были использованы для оптимизации режимов термопластической обработки с циклическими фазовыми перекристаллизациями.

5.Установлено, что для формирования однородной по сечению структуры металла необходимо в процессе термопластической обработки постепенно снижать среднемассовую температуру раската в температурном интервале

•ЛгэсЭЬчЯе/ф.'

6.Проведены прокатки сталей 22К и СтЗ, которые подтвердили возможность реализации режимов с использованием частичных циклических фазовых перекристаллизации. При этом получена сверхмелкозернистая структура псевдоэвтектоида, обладающая существенно более высокими прочностными показателями при сохранении уровня пластических и вязких свойств, характерных для металла, полученного обычной прокаткой.

7.Проведено опытно-промышленное опробование разработанных режимов при прокатке сталей ВСтЗсп и 09Г2С на толстолистовом стане ТЛС-5000 ПО "Ижорский завод". По результатам опробования разработаны технологическая инструкция на проведение промышленной прокатки стали 09Г2С

с использованием циклических фазовых перекрисгаллизаций и технические условия на листы из этой стали с категорией прочности КП40 в толщинах до 40 мм.

8.Исследованы конструктивные характеристики упрочненного металлопроката стали 09Г2С и его сварных соединений. Подтверждена возможность применения такого проката в меньших толщинах для изготовления сварных конструкций.

9.Рассчитан экономический эффект от применения упрочнении .'о проката стали 09Г2С в производство поворотных рам карьерных экскаваторов ЭКГ-ХО, выпускаемых ПО "Ижорский завод", который в пересчете на годовую программу составляет 290 тысяч рублей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

X. Смагоринский М.Е. и др. О кинетике фазовых превращений при шого-кратНой термопластической обработке форрито-перлитных сталей/ М.Е.Смагоринский, С.Ь.Кудрлшов, А.К.ГрягорьевУ/Изв.АН СССР.Металлы. -1989.-.'.'5 ..-С. 89-92.

2. Кудряшов C.B., Смагоринский M.Б. Влияние термопластической обработки на структуру и своуства феррито-перлитной отали/УИзв.Вузов.Черная металлургия.-1988.-W7.-С.91-96.

3. Смагоринский М.Е. и др. Использование неоднородных температурных полей в процессе прокатки в качестве операции термоциклирования/ М.Е.Смагоринский, Ю.A.Moтс, С.В.Кудряшов//Валки прокатных станов.-M.,1989.-С.78-83.

4. Смагоринский М.Е. и др. Структура и свойства низкоуглородистых сталей при термической и термодеформационной циклических обработках/ М.Е.Смагоринский, С.В.Кудряшов, В.И.Кулиничев//МиШ.1.-1989.-Л2.-С.5-7.

5. Смагоринский М.Е. и др. Исследование температуры заготовки при горячей прокатке/М.Е.Смагоринский, Ю.А.Метс, С.В.Кудрян,ов//Изв.Вузов. Черная ме таллу ргия.-1988.-W5.-С.58-61.

6. Кудряшов C.B. и др. Многократные фазовые переходы при прокатке/ C.B.Кудряшов, М.Е.Смагоринский, А.А.Зисман//Повыиение надежности и долговечности материалов и деталей машин на основе новых методов термической и химико-термической обработки: Тез.докл.Всос.научно-техн.конф.-M.,1988.-С.60-61.

7. Кудряшов C.B., Смагоринский М.Е. Повышение свойств конструкционных сталей за счет многократных полиморфных превращений при горячей прокатке//Теоретическиа проблемы прокатного производства^!. 1:Тез. докл.1У Всес.научно-техн.конф.-Днепропетровск,1988.-0.79-80.

Владимиров А.Г. и др. Использование полюсных фигур для оптимизации режимов термопластической обработки/А.Г.Владиыиров, C.B.Кудряшов, М.Е.-Смагоринский//Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах. Ч.1:Тез.докл.У Всес.конф.-Уфа,1987.-С.82-83.

9. Смагоринский М.Е. и др. Управление структурным состоянием стального листа с помощью оптимизации теплофизического режима горячей про-катки/М.Е.Смагоринский, И.М.Гриднев, С.В;Кудряшов//Теплофизика технологических процессов.Ч.2:Тез.докл.УН Всес.Конф.-Тольятти,1988.-С.47-48.

10. О возможности использования горячекатаного проката стали 09Г2С в качестве конструкционного материала с катогориой прочности КП42/ U.E.Смагоринский, Т.И.Титова, С.В.Кудряшов, М.М.Сандомирский// МиТ OL!. -1990. - ¡59. -С. 27 -30.

IT. A.c. 1583453(СССР).Способ термомеханической обработки стадий и сплавов/А.К.Григорьов, М.Е.Смагоринский, С.В.Кудряшов и др. Оп.убл. в Б.И.,1990,№29.

12. A.c. 1475936(СССР).Способ термомеханической обработки стали/М.Е. М.К.Смагоринскнй, С.В.Кудряшов. Опубл. а Б.И.,1989,й!6.

Подписано к печати i't./1'jc Злкчгб. Ь 5h

Тираж 100. Бесплатно.

Отпечатано на ротапринте Ленинградского государственного технического университета. 195251, Ленинград, Homn.i.ouc